VERTEILUNGSKOEFFIZIENT: VERTEILUNG, VERTEILUNG, ANWENDUNGEN - CHEMIE - 2025

Die Verteilung oder der Verteilungskoeffizient ist definiert als das Verhältnis der Konzentration einer chemischen Spezies oder eines gelösten Stoffes zwischen zwei Medien im Gleichgewicht. Dieses Medium kann ein Gas wie Luft sein; eine Flüssigkeit wie Wasser oder Öl; oder eine komplexe Mischung wie Blut oder andere Gewebe.

Der Blut / Luft-Verteilungskoeffizient ist wichtig, um den Gasaustausch zu erklären, der in der Lunge zwischen Blut und Atmosphäre stattfindet.

Diagramm zur Erläuterung des Verteilungskoeffizienten für drei gelöste Stoffe zwischen zwei Phasen. Quelle: Perdula

Das obige Bild zeigt auf vereinfachte und brillante Weise das erläuterte Konzept. Jede Figur stellt einen Analyten dar, der auf zwei nicht mischbare Phasen verteilt und / oder verteilt ist: eine obere und eine untere.

Die grünen Quadrate befinden sich überwiegend in der oberen Phase; während sich die roten Dreiecke in der unteren Phase mehr auflösen und sich die violetten Kreise an der Grenzfläche befinden.

Es versteht sich, wie K _D für jeden Analyten variiert . Wenn K _D größer als 1 ist, verteilt sich der Analyt stärker in Richtung der oberen Phase; Wenn sein Wert nahe bei 1 liegt, befindet er sich normalerweise an der Schnittstelle. oder wenn im Gegenteil K _D kleiner als 1 ist, wird es hauptsächlich in der unteren Phase sein.

Eine der Formen des Verteilungskoeffizienten ist die zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten im Gleichgewicht; ebenso wie das n-Oktansystem und Wasser. Dieses System wurde verwendet, um eine wichtige Eigenschaft einer Verbindung festzustellen: ihren hydrophoben oder hydrophilen Charakter.

Der Wert des Verteilungskoeffizienten (P) oder des Verteilungskoeffizienten (K) dient dazu, die Hydrophobizität eines Arzneimittels anzuzeigen. Somit kann es verwendet werden, um die Absorption, Verteilung, den Metabolismus und den Ausscheidungsprozess des Darms vorherzusagen.

Verteilungskoeffizient

Definition

Der Verteilungskoeffizient (K) eines Stoffes, auch Verteilungskoeffizient (P) genannt, ist der Quotient zur Aufteilung der Konzentrationen eines Stoffes in zwei Phasen; besteht aus der Mischung zweier Lösungsmittel, die nicht mischbar sind, weil sie unterschiedliche Dichten und Naturen haben.

Der Wert des Verteilungskoeffizienten (K) oder der Verteilung (P) hängt mit dem Unterschied in der Löslichkeit der Substanz in den nicht mischbaren Flüssigkeiten zusammen, die Teil der Mischung sind.

K oder P = ₁ / ₂

₁ ist die Konzentration der Substanz in Flüssigkeit 1. Und ₂ ist die Konzentration derselben Substanz in Flüssigkeit 2.

Deutung

Wenn K oder P einen Wert von 3 hat, bedeutet dies, dass die Substanz in Flüssigkeit 1 dreimal stärker konzentriert ist als in Flüssigkeit 2. Gleichzeitig zeigt dies jedoch auch an, dass die Substanz in Flüssigkeit 1 löslicher ist.

Wenn nun der Wert von K oder P 0,3 beträgt, hat die Substanz eine höhere Konzentration in Flüssigkeit 2; und daher ist seine Löslichkeit in Flüssigkeit 2 höher als in Flüssigkeit 1.

Octanol / Wasser-Verteilungskoeffizient

In einigen Forschungsbereichen wie der organischen Chemie und der Pharmazie besteht das Gemisch aus Flüssigkeiten aus Wasser und einer unpolaren Flüssigkeit wie n-Octanol oder 1-Octanol, weshalb häufig auf den Octanol-Verteilungskoeffizienten Bezug genommen wird / Wasser dargestellt durch Pow.

Das n-Octanol hat eine Dichte von 0,824 g / cm ³ ; während Wasser bekanntlich eine Dichte von ungefähr konstant 1 g / cm ^{3 hat} . Sobald die beiden Flüssigkeiten ausgeglichen sind, nimmt n-Octanol den oberen Teil des Gemisches nicht mischbarer Flüssigkeiten ein, das als Flüssigkeit 1 bezeichnet wurde.

Eine hydrophobe Substanz hat eine höhere Konzentration in n-Octanol, sobald sich die nicht mischbaren Flüssigkeiten ausgeglichen haben. Andererseits hat eine hydrophile Substanz eine höhere Konzentration in Wasser.

Beschränkungen

Der Verteilungs- oder Verteilungskoeffizient gilt für nichtionisierte Substanzen. In dem Fall, in dem der Verteilungskoeffizient in einer ionisierbaren Substanz gemessen wird, sollte der pH-Wert eingestellt oder ein Puffer in der wässrigen Phase verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Substanz als nicht dissoziiert präsentiert wird.

Bei der Bestimmung des Verteilungskoeffizienten sollten Tenside oder Tensidsubstanzen nicht verwendet werden, da sich diese Substanzen aufgrund ihrer amphiphilen Natur an der Grenzfläche nicht mischbarer Flüssigkeiten befinden.

Der n-Octanol / Wasser-Verteilungskoeffizient wird üblicherweise in logarithmischer Form ausgedrückt; das heißt, als log P oder log K aufgrund der Amplitude der Werte von P und K.

Wenn das log von P für eine Substanz größer als 0 ist, zeigt dies an, dass die Substanz hydrophob ist. Wenn umgekehrt der log von P kleiner als 0 ist (dh negativ), zeigt dies an, dass die Substanz hydrophil ist.

Verteilungskoeffizient (D)

Der Verteilungskoeffizient (D) ist der Quotient zwischen der Konzentration aller ionisierten und nichtionisierten Substanzen in Flüssigkeit 1 (n-Octanol) und der Konzentration derselben Substanzen in Flüssigkeit 2 (Wasser).

Sobald der Wert des Verteilungskoeffizienten (D) erhalten wurde, kann er aufgrund der Amplitude der Werte von D als Logarithmus von D ausgedrückt werden.

Um den Verteilungskoeffizienten (D) zu erhalten, muss die wässrige Phase gepuffert werden; mit anderen Worten, bei einem bestimmten pH-Wert, der angegeben werden muss, wenn auf den Wert des erhaltenen Verteilungskoeffizienten Bezug genommen wird.

Es ist zweckmäßig, die Bestimmung von D bei pH 7,4 durchzuführen. Dieser pH-Wert entspricht dem des Blutes und stellt die Bedingungen dar, denen Arzneimittel oder Verbindungen in der intrazellulären Umgebung und in der extrazellulären Umgebung ausgesetzt sind.

Für eine nicht ionisierbare Verbindung ist log D = log P, unabhängig vom verwendeten pH-Wert.

Experimentelle Bestimmung eines Verteilungskoeffizienten

Es gibt verschiedene Methoden zur Messung des Verteilungskoeffizienten (P). Dazu gehören die Shake-Bottle-Methode und die Hochleistungsflüssigchromatographie. Beide erfordern Vorkenntnisse über die Löslichkeit der Testsubstanz sowohl in n-Octanol als auch in Wasser.

Schüttelkolbenmethode

Die Probe wird in mit Wasser gesättigtem n-Octanol gelöst, das in einem separaten Trichter verteilt oder mit mit n-Octanol gesättigtem Wasser dekantiert wird. Eine Lösungsmittelsättigung ist erforderlich, um einen Lösungsmitteltransfer während des Verteilungsprozesses zu vermeiden.

Der Scheidetrichter wird für eine bestimmte Zeit mechanisch gerührt. Es wird dann lange stehen gelassen, um eine vollständige Trennung sicherzustellen. Abschließend werden die Phasen durch Dekantieren getrennt.

Dann wird die Konzentration der Probe in jedem der Lösungsmittel unter Verwendung eines spektrophotometrischen Verfahrens bestimmt; zB UV-sichtbar oder andere Methode. Schließlich werden mit den erhaltenen Daten der Verteilungskoeffizient und log P.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es kostengünstig, reproduzierbar und hochgenau ist. Zusammenfassend ist es die zuverlässigste Methode zur Bestimmung von log P.

Der Hauptnachteil des Verfahrens besteht darin, dass es sehr zeitaufwendig ist: mehr als 24 Stunden, um während des Verteilungsprozesses eine Flüssigkeitsäquilibrierung, ein Rühren und eine Phasentrennung durchzuführen. Darüber hinaus gilt es nur für Substanzen, die in n-Octanol und Wasser löslich sind.

Hochleistungsflüssigchromatographie-Methode

Das log P kann erhalten werden, indem die Retentionszeit der Probe mit der Retentionszeit einer Referenzverbindung ähnlicher chemischer Struktur mit einem bekannten P-Wert korreliert wird.

Es ist ein Verfahren, bei dem der log P-Wert in einer Zeit von weniger als 20 Minuten erhalten wird. Es ergibt log p-Werte zwischen 0 und 6, was nur hydrophoben Substanzen entspricht.

Der Nachteil besteht darin, dass der P-Wert durch lineare Regression bestimmt wird. Daher sollten mehrere Verbindungen mit einer chemischen Struktur ähnlich der Probe und bekannten log P-Werten als Referenz verwendet werden.

Anwendungen

Optimierung der Arzneimittelwirkung

Wenn ein Medikament eingenommen wird, muss es das Lumen des Dünndarms erreichen, wo die meisten Substanzen absorbiert werden. Dann passiert es das Innere der Zellen und löst sich in der Lipiddoppelschicht auf, die Teil der Membran ist. Dieser Prozess wird durch die hydrophobe Natur des Arzneimittels begünstigt.

Das Medikament muss durch Darmzellen gelangen und die Basalmembran durchqueren, um das Blut und die Zielrezeptoren für die Arzneimittelwirkung zu erreichen. Einige Stufen des Gesamtprozesses werden durch die hydrophobe Natur des Arzneimittels begünstigt, andere jedoch nicht.

Es muss ein Wert des Verteilungskoeffizienten gefunden werden, der es ermöglicht, dass alle Prozesse, die für die Wirkung des Arzneimittels und das Wohlbefinden des Körpers erforderlich sind, zufriedenstellend sind.

Die Verwendung von übermäßig hydrophoben Arzneimitteln kann toxisch sein, da ihr Metabolismus potenziell schädliche Metaboliten produzieren kann. Andererseits haben völlig hydrophile Arzneimittel Schwierigkeiten bei der Darmabsorption.

Agrochemikalien

Die Aktivität von Insektiziden und Herbiziden wird durch ihre hydrophobe Natur beeinflusst. Hydrophobizität ist jedoch mit einer längeren Halbwertszeit verbunden. Daher wird die umweltschädliche Wirkung verlängert und kann ökologische Schäden verursachen.

Wirksame hydrophobe Produkte sollten mit einer kürzeren Halbwertszeit hergestellt werden.

Umweltschutz

Hydrophobe Verbindungen sind normalerweise Schadstoffe für die Umwelt, da sie durch den Boden abgeleitet werden und das Grundwasser und später das Flusswasser erreichen können.

Wenn der Verteilungskoeffizient einer Verbindung bekannt ist, können Änderungen an ihrer chemischen Struktur vorgenommen werden, die ihre Hydrophobizität modifizieren, um ihre umweltschädliche Wirkung auf die Umwelt zu verringern.

Die Hydrogeologie verwendet den Octanol / Wasser-Verteilungskoeffizienten (Kow), um den Fluss hydrophober Verbindungen sowohl im Boden als auch im Grundwasser zu steuern.

Verweise

1. CC Bannan, G. Calabró, DY Kyu & DL Mobley (2016). Berechnung der Verteilungskoeffizienten kleiner Moleküle in Octanol / Wasser und Cyclohexan / Wasser. Journal of Chemical Theory and Computation, 12 (8), 4015–4024. doi: 10.1021 / acs.jctc.6b00449
2. Wikipedia. (2019). Verteilungskoeffizient. Wiederhergestellt von: es.wikipedia.org
3. Nationale Universität von Kolumbien. (sf). Einheit 8: Experimentelle Bestimmung des Barbituratverteilungskoeffizienten. . Wiederhergestellt von: red.unal.edu.co
4. Der Sevier. (2019). Verteilungskoeffizient. Science Direct. Wiederhergestellt von: sciencedirect.com
5. Seeboo Hemnath. (2019). Partitionskoeffizient: Definition und Berechnung. Studie. Wiederhergestellt von: study.com